GaN at SiC: Coexistence o Substitution?

Ang pagtulak para sa mas mataas na densidad ng kuryente at kahusayan ay naging pangunahing driver ng pagbabago sa maraming industriya, kabilang ang mga data center, renewable energy, consumer electronics, electric vehicle, at autonomous na teknolohiya sa pagmamaneho. Sa larangan ng malawak na bandgap (WBG) na mga materyales, ang Gallium Nitride (GaN) at Silicon Carbide (SiC) ay kasalukuyang dalawang pangunahing platform, na tinitingnan bilang mga pivotal na tool na nangunguna sa power semiconductor innovation. Ang mga materyales na ito ay malalim na binabago ang industriya ng power electronics upang matugunan ang patuloy na pagtaas ng demand para sa kuryente.

Sa katunayan, ang ilang nangungunang kumpanya sa industriya ng SiC ay aktibong ginalugad din ang teknolohiya ng GaN. Noong Marso ng taong ito, nakuha ng Infineon ang Canadian GaN startup na GaN Systems sa halagang $830 milyon na cash. Gayundin, ipinakita kamakailan ng ROHM ang pinakabagong mga produktong SiC at GaN nito sa PCIM Asia, na may partikular na diin sa mga GaN HEMT device ng kanilang EcoGaN brand. Sa kabaligtaran, noong Agosto 2022, nakuha ng Navitas Semiconductor, na orihinal na nakatuon sa teknolohiya ng GaN, ang GeneSiC, na naging tanging kumpanya na nakatuon sa susunod na henerasyong power semiconductor portfolio.

Sa katunayan, ang GaN at SiC ay nagpapakita ng ilang magkakapatong sa mga senaryo ng pagganap at aplikasyon. Samakatuwid, napakahalagang suriin ang potensyal ng aplikasyon ng dalawang materyal na ito mula sa pananaw ng system. Bagama't maaaring may sariling pananaw ang iba't ibang tagagawa sa panahon ng proseso ng R&D, mahalaga na komprehensibong masuri ang mga ito mula sa maraming aspeto, kabilang ang mga uso sa pag-unlad, mga gastos sa materyal, pagganap, at mga pagkakataon sa disenyo.

Ano ang Mga Pangunahing Uso sa Industriya ng Power Electronics na Natutugunan ng GaN?

Jim Witham, CEO ng GaN Systems, ay hindi piniling umatras tulad ng ibang mga executive ng mga nakuhang kumpanya; sa halip, patuloy siyang gumagawa ng madalas sa publiko. Kamakailan, sa isang talumpati, binigyang-diin niya ang kahalagahan ng GaN power semiconductors, na binanggit na ang teknolohiyang ito ay makakatulong sa mga taga-disenyo at mga manufacturer ng power system na matugunan ang tatlong pangunahing trend na kasalukuyang nagbabago sa industriya ng power electronics, kung saan ang GaN ay gumaganap ng isang mahalagang papel sa bawat trend.

CEO ng GaN Systems na si Jim Witham

Una, ang isyu ng kahusayan ng enerhiya. Ito ay hinuhulaan na ang pandaigdigang pangangailangan ng kuryente ay tataas ng higit sa 50% pagsapit ng 2050, na ginagawang kinakailangan na i-optimize ang kahusayan ng enerhiya at pabilisin ang paglipat sa renewable energy. Ang kasalukuyang paglipat ay hindi lamang nakatutok sa kahusayan ng enerhiya ngunit umaabot din sa mas mapanghamong aspeto tulad ng pagsasarili ng enerhiya at pagsasama sa mainstream na grid ng kuryente. Nag-aalok ang teknolohiya ng GaN ng makabuluhang mga bentahe sa pagtitipid ng enerhiya sa mga application ng enerhiya at imbakan. Halimbawa, ang mga solar microinverter na gumagamit ng GaN ay maaaring makabuo ng mas maraming kuryente; Ang application ng GaN sa AC-DC conversion at mga inverter ay maaaring mabawasan ang pag-aaksaya ng enerhiya sa mga sistema ng imbakan ng baterya nang hanggang 50%.

Pangalawa, ang proseso ng electrification, partikular sa sektor ng transportasyon. Ang mga de-kuryenteng sasakyan ay palaging pinagtutuunan ng pansin ng kalakaran na ito. Gayunpaman, lumalawak ang electrification sa two-wheel at three-wheel na transportasyon (tulad ng mga bisikleta, motorsiklo, at rickshaw) sa mga urban na lugar na makapal ang populasyon, lalo na sa Asia. Habang tumatanda ang mga market na ito, magiging mas prominente ang mga bentahe ng GaN power transistors, at gaganap ang GaN ng mahalagang papel sa pagpapabuti ng kalidad ng buhay at proteksyon sa kapaligiran.

Sa wakas, ang digital na mundo ay sumasailalim sa napakalaking pagbabago upang matugunan ang real-time na mga hinihingi ng data at mabilis na pag-unlad ng artificial intelligence (AI). Ang kasalukuyang power conversion at mga teknolohiya sa pamamahagi sa mga data center ay hindi makakasabay sa mabilis na pagtaas ng mga pangangailangan na dala ng cloud computing at machine learning, lalo na sa power-hungry na AI applications. Sa pamamagitan ng pagkamit ng pagtitipid sa enerhiya, pagbabawas ng mga kinakailangan sa pagpapalamig, at pagpapahusay sa pagiging epektibo sa gastos, muling hinuhubog ng teknolohiya ng GaN ang landscape ng power supply ng mga data center. Ang kumbinasyon ng generative AI at GaN na teknolohiya ay lilikha ng isang mas mahusay, napapanatiling, at matatag na hinaharap para sa mga data center.

Bilang isang pinuno ng negosyo at matatag na tagapagtaguyod ng kapaligiran, naniniwala si Jim Witham na ang mabilis na pag-unlad ng teknolohiya ng GaN ay makakaapekto nang malaki sa iba't ibang industriyang umaasa sa kapangyarihan at magkakaroon ng malalim na implikasyon sa pandaigdigang ekonomiya. Sumasang-ayon din siya sa mga hula sa merkado na ang kita ng GaN power semiconductor ay aabot sa $6 bilyon sa loob ng susunod na limang taon, na binabanggit na ang teknolohiya ng GaN ay nag-aalok ng mga natatanging pakinabang at pagkakataon sa kumpetisyon sa SiC.

Paano Inihahambing ang GaN sa SiC sa Mga Tuntunin ng Competitive Edge?

Noong nakaraan, may ilang mga maling kuru-kuro tungkol sa GaN power semiconductors, na marami ang naniniwalang mas angkop ang mga ito para sa pagsingil ng mga application sa consumer electronics. Gayunpaman, ang pangunahing pagkakaiba sa pagitan ng GaN at SiC ay nasa kanilang mga aplikasyon ng saklaw ng boltahe. Ang GaN ay gumaganap nang mas mahusay sa mababa at katamtamang boltahe na mga aplikasyon, habang ang SiC ay pangunahing ginagamit para sa mataas na boltahe na mga aplikasyon na lampas sa 1200V. Gayunpaman, ang pagpili sa pagitan ng dalawang materyales na ito ay nagsasangkot ng pagsasaalang-alang sa boltahe, pagganap, at mga kadahilanan sa gastos.

Halimbawa, sa 2023 PCIM Europe exhibition, ipinakita ng GaN Systems ang mga solusyon sa GaN na nagpakita ng mga makabuluhang pagsulong sa density at kahusayan ng kuryente. Kung ikukumpara sa mga disenyo ng SiC transistor, ang GaN-based na 11kW/800V onboard charger (OBC) ay nakakuha ng 36% na pagtaas sa power density at 15% na pagbawas sa mga gastos sa materyal. Ang disenyong ito ay nagsasama rin ng tatlong antas na flying capacitor topology sa isang bridgeless totem-pole PFC configuration at dual active bridge technology, na binabawasan ang boltahe ng stress ng 50% gamit ang GaN transistors.

Sa tatlong pangunahing aplikasyon ng mga de-koryenteng sasakyan—mga onboard charger (OBC), DC-DC converter, at traction inverters—nakipagtulungan ang GaN Systems sa Toyota upang bumuo ng isang all-GaN na prototype ng kotse, na nagbigay ng mga solusyon sa OBC na handa sa produksyon para sa American EV startup Canoo, at nakipagsosyo sa Vitesco Technologies upang bumuo ng mga GaN DC-DC converter para sa 400V at 800V EV power system, na nag-aalok ng mas maraming pagpipilian para sa mga automaker.

Naniniwala si Jim Witham na ang mga customer na kasalukuyang umaasa sa SiC ay malamang na mabilis na lumipat sa GaN para sa dalawang dahilan: ang limitadong kakayahang magamit at mataas na halaga ng mga materyales. Habang tumataas ang pangangailangan ng kuryente sa iba't ibang industriya, mula sa mga data center hanggang sa automotive, ang maagang paglipat sa teknolohiya ng GaN ay magbibigay-daan sa mga negosyong ito na paikliin ang oras na kailangan upang makahabol sa mga kakumpitensya sa hinaharap.

Mula sa pananaw ng supply chain, mas mahal ang SiC at nahaharap sa mga hadlang sa supply kumpara sa GaN. Dahil ang GaN ay ginawa sa mga silicon na wafer, ang presyo nito ay mabilis na bumababa sa pagtaas ng demand sa merkado, at ang hinaharap na presyo at pagiging mapagkumpitensya ay maaaring mas tumpak na mahulaan. Sa kabaligtaran, ang limitadong bilang ng mga supplier ng SiC at mahabang oras ng lead, karaniwang hanggang isang taon, ay maaaring magpataas ng mga gastos at makaapekto sa pangangailangan para sa pagmamanupaktura ng sasakyan lampas sa 2025.

Sa mga tuntunin ng scalability, ang GaN ay halos "walang hanggan" na nasusukat dahil maaari itong gawin sa mga silicon na wafer gamit ang parehong kagamitan tulad ng bilyun-bilyong CMOS device. Malapit nang magawa ang GaN sa 8-pulgada, 12-pulgada, at maging 15-pulgada na mga wafer, samantalang ang mga SiC MOSFET ay karaniwang ginagawa sa 4-pulgada o 6-pulgada na mga wafer at nagsisimula pa lamang sa paglipat sa 8-pulgadang mga wafer.

Sa mga tuntunin ng teknikal na pagganap, ang GaN ay kasalukuyang pinakamabilis na power switching device sa buong mundo, na nag-aalok ng mas mataas na power density at kahusayan sa output kaysa sa iba pang mga semiconductor device. Naghahatid ito ng malalaking benepisyo sa mga consumer at negosyo, sa mas maliliit na laki ng device, mas mabilis na bilis ng pag-charge, o pinababang gastos sa pagpapalamig at pagkonsumo ng enerhiya para sa mga data center. Ang GaN ay nagpapakita ng napakalaking mga pakinabang.

Ang mga system na binuo gamit ang GaN ay nagpapakita ng mas mataas na density ng kuryente kumpara sa SiC. Habang kumakalat ang GaN adoption, ang mga bagong produkto ng power system na may mas maliliit na laki ay patuloy na umuusbong, samantalang hindi makakamit ng SiC ang parehong antas ng miniaturization. Ayon sa GaN Systems, ang performance ng kanilang mga first-generation device ay nalampasan na ng pinakabagong fifth-generation SiC semiconductor device. Habang bumubuti ang performance ng GaN ng 5 hanggang 10 beses sa maikling panahon, inaasahang lalawak ang agwat sa pagganap na ito.

Bukod pa rito, ang mga GaN device ay nagtataglay ng mga makabuluhang pakinabang tulad ng mababang gate charge, zero reverse recovery, at flat output capacitance, na nagbibigay-daan sa mataas na kalidad na pagganap ng switching. Sa kalagitnaan hanggang mababang boltahe na mga application na mas mababa sa 1200V, ang switching losses ng GaN ay hindi bababa sa tatlong beses na mas mababa kaysa sa SiC. Mula sa pananaw ng dalas, karamihan sa mga disenyong nakabatay sa silikon ay kasalukuyang gumagana sa pagitan ng 60kHz at 300kHz. Bagama't ang SiC ay bumuti sa dalas, ang mga pagpapabuti ng GaN ay mas malinaw, na nakakamit ng 500kHz at mas mataas na mga frequency.

Dahil karaniwang ginagamit ang SiC para sa 1200V at mas matataas na boltahe na may kaunting produkto lang na angkop para sa 650V, limitado ang application nito sa ilang partikular na disenyo, gaya ng 30-40V consumer electronics, 48V hybrid na sasakyan, at data center, na lahat ay mahalagang mga merkado. Samakatuwid, limitado ang papel ng SiC sa mga pamilihang ito. Ang GaN, sa kabilang banda, ay napakahusay sa mga antas ng boltahe na ito, na gumagawa ng mga makabuluhang kontribusyon sa mga data center, consumer electronics, renewable energy, automotive, at mga sektor ng industriya.

Upang matulungan ang mga inhinyero na mas maunawaan ang mga pagkakaiba sa pagganap sa pagitan ng mga GaN FET (Field Effect Transistors) at SiC, ang GaN Systems ay nagdisenyo ng dalawang 650V, 15A power supply gamit ang SiC at GaN ayon sa pagkakabanggit, at nagsagawa ng mga detalyadong paghahambing na pagsubok.

GaN vs SiC Head-to-head na Paghahambing

Sa pamamagitan ng paghahambing ng GaN E-HEMT (Enhanced High Electron Mobility Transistor) sa pinakamahusay na klase ng SiC MOSFET sa mga high-speed switching application, nalaman na kapag ginamit sa mga kasabay na buck DC-DC converter, ang converter na may GaN E- Ang HEMT ay nagpakita ng mas mataas na kahusayan kaysa sa isa na may SiC MOSFET. Ang paghahambing na ito ay malinaw na nagpapakita na ang GaN E-HEMT ay higit na gumaganap sa nangungunang SiC MOSFET sa mga pangunahing sukatan tulad ng bilis ng paglipat, parasitic capacitance, switching losses, at thermal performance. Bukod pa rito, kumpara sa SiC, ang GaN E-HEMT ay nagpapakita ng mga makabuluhang pakinabang sa pagkamit ng mas compact at mahusay na mga disenyo ng power converter.

Bakit Posibleng Malampasan ng GaN ang SiC Sa Ilalim ng Ilang Kondisyon?

Ngayon, ang tradisyunal na teknolohiya ng silikon ay umabot na sa mga limitasyon nito at hindi maiaalok ang maraming pakinabang na taglay ng GaN, habang ang aplikasyon ng SiC ay limitado sa mga partikular na sitwasyon sa paggamit. Ang terminong "sa ilalim ng ilang mga kundisyon" ay tumutukoy sa mga limitasyon ng mga materyales na ito sa mga partikular na aplikasyon. Sa mundong lalong umaasa sa kuryente, hindi lang pinapabuti ng GaN ang kasalukuyang supply ng produkto kundi gumagawa din ng mga makabagong solusyon na tumutulong sa mga negosyo na manatiling mapagkumpitensya.

Habang lumilipat ang GaN power semiconductors mula sa maagang pag-aampon tungo sa mass production, ang pangunahing gawain para sa mga gumagawa ng desisyon sa negosyo ay kilalanin na ang GaN power semiconductors ay maaaring mag-alok ng mas mataas na antas ng pangkalahatang pagganap. Hindi lamang ito nakakatulong sa mga customer na mapataas ang bahagi ng merkado at kakayahang kumita ngunit epektibong binabawasan ang mga gastos sa pagpapatakbo at mga paggasta sa kapital.

Noong Setyembre ng taong ito, magkasamang naglunsad ang Infineon at GaN Systems ng bagong ika-apat na henerasyong Gallium Nitride platform (Gen 4 GaN Power Platform). Mula sa 3.2kW AI server power supply noong 2022 hanggang sa kasalukuyang ika-apat na henerasyong platform, ang kahusayan nito ay hindi lamang lumalampas sa pamantayan ng kahusayan ng 80 Plus Titanium, ngunit ang density ng kapangyarihan nito ay tumaas din mula 100W/in³ hanggang 120W/in³. Ang platform na ito ay hindi lamang nagtatakda ng mga bagong benchmark sa kahusayan at laki ng enerhiya ngunit nag-aalok din ng higit na mahusay na pagganap.

Sa buod, kung ang mga kumpanya ng SiC ay kumukuha ng mga kumpanya ng GaN o mga kumpanya ng GaN na kumukuha ng mga kumpanya ng SiC, ang pinagbabatayan na pagganyak ay palawakin ang kanilang mga larangan ng merkado at aplikasyon. Pagkatapos ng lahat, parehong nabibilang ang GaN at SiC sa malawak na bandgap (WBG) na mga materyales, at unti-unting lalabas ang mga materyal na semiconductor na pang-apat na henerasyon sa hinaharap tulad ng Gallium Oxide (Ga2O3) at Antimonides, na lilikha ng sari-saring teknolohikal na ecosystem. Samakatuwid, hindi pinapalitan ng mga materyales na ito ang isa't isa bagkus ay sama-samang nagtutulak sa paglago ng industriya.**